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Stand der Technik
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Bei Kraftfahrzeugen, die mit Verbrennungskraftmaschinen angetrieben werden, ist aufgrund der in den nächsten Jahren zu erwartenden verschärften Abgasgesetzgebung unter anderem der Schadstoff Stickoxid (NOx) in erhöhtem Maße zu reduzieren. Ein Verfahren, welches zur Reduzierung des Schadstoffes Stickoxid von Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt wird, ist das Verfahren der selektiven katalytischen Reduktion (SCR), bei dem der Schadstoff Stickoxid (NOx) unter Zuhilfenahme eines Reduktionsmittels, beispielsweise flüssiger Harnstoff oder eine flüssige Harnstoff-Wasser-Lösung (AdBlue®), zu Stickstoff (N2) und Wasser (H2O) reduziert wird. Das flüssige Reduktionsmittel wird in einem Tank gespeichert und mittels eines Förderaggregats, beispielsweise eine Pumpe, über eine Leitung von diesem Tank zu einer Dosiereinrichtung gefördert.
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Förderaggregate, auch als Fördermodule bezeichnet, werden zur Förderung von Betriebsmedien oder Betriebs-/Hilfsstoffen in Abgasnachbehandlungssystemen eingesetzt, insbesondere werden Membranpumpen mit einer Arbeitsmembran aus einem Elastomermaterial eingesetzt. Derartige Arbeitsmembranen sind an mechanische Bauteile gekoppelt, die mit einem Aktuator verbunden sind, um eine oszillierende, ständig wechselnde Unterdruckerzeugung für das Ansaugen bzw. eine Druckerzeugung für das Fördern zu ermöglichen. Die eingesetzten Arbeitsmembranen werden durch eine Zwischenplatte und ein Gehäuse arretiert und sind nach außen abgedichtet. Zur Ausführung der Förderbewegung muss die Arbeitsmembran elastische Bereiche aufweisen, die sich bei der Ausführung der Bewegung verformen. Insbesondere sind diese Bereiche mechanisch sehr hoch beansprucht und neigen bei Druckunterschieden zu ballonartigen Verformungen, so dass es zu einer Abhängigkeit des Fördervolumens vom Druck kommt.
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Aus
DE 10 2011 078 499 A1 ist ein Förderaggregat mit einer Arbeitsmembran zum volumetrischen Fördern von fluiden Medien bekannt, welche im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildet ist und in dem Bereich, in dem die Membran sich elastisch verformt und die höchsten mechanischen Belastungen beim Förderhub auftreten, mit einem Unterstützungselement stabilisiert ist. Die Arbeitsmembran wird zwischen einem Gehäuseteil und einer Zwischenplatte eingespannt, wobei die Abdichtung der Arbeitsmembran durch einen als radialer Dichtwulst ausgebildeten Randbereich erfolgt. Bei erhöhten Temperaturen dehnt sich das Elastormermaterial der Arbeitsmembran aus, wobei ein Quellraum zwischen Dichtwulst und einer Trennrippe vorgesehen ist, so dass dem Elastomerwerkstoff bei Temperaturanstieg und Medienaufnahme ein Quellen ermöglicht wird.
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In einer initialen Betriebsphase des Förderaggregats eines Abgasnachbehandlungssystems befindet sich im Allgemeinen Luft in dem Fördervolumen der Pumpe, welches im Gegensatz zu dem weitgehend flüssig vorliegenden Reduktionsmittel kompressibel ist. Folgend wird zeitabhängig im Betrieb das kompressible Medium Luft durch ein inkompressibles Medium, beispielsweise AdBlue®, ersetzt. Vergleichbares gilt auch für den bereitgestellten Quellraum, in welchem sich bei Inbetriebnahme Luft befindet und während des Betriebes des Förderaggregats zeitabhängig zunehmend Reduktionsmittel in den Quellraum eintritt. So wird ein kompressibles Medium, insbesondere Luft, durch ein inkompressiblen Medium ersetzt, beispielsweise AdBlue®, woraus eine Veränderung der an der Arbeitsmembran anliegenden Bedingungen resultieren. Insbesondere beeinflusst dies die Steifigkeit der Arbeitsmembran und somit die Fördercharakteristik des Förderaggregats.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Förderaggregat für einen Betriebs-/Hilfsstoff, insbesondere für ein Reduktionsmittel, in einem Abgasnachbehandlungssystem vorgeschlagen, umfassend eine Arbeitsmembran, die in einem eingebauten Zustand zwischen Bauteilen aufgenommen ist und mit einem Aktuator zur Ausführung von Förderhüben verbunden ist, wobei aus einem Element- bzw. Hubraum ein Fördervolumen gefördert wird. Ferner ist ein Quellraum vorgesehen, welcher von dem Element- bzw. Hubraum von einer nicht-dichtenden Anbindung zur Arbeitsmembran, ausgebildet als Trennrippe, getrennt ist. Der Quellraum nimmt ein zusätzliches Volumen der Arbeitsmembran bei Quellen eines Elastomerwerkstoffes der Arbeitsmembran auf. Der Quellraum ist ausgebildet, so dass gleichbleibende Bedingungen beidseits der Trennrippe für die Arbeitsmembran herbeigeführt werden, wobei vor Inbetriebnahme des Förderaggregats der Quellraum mit einem inkompressiblen Medium gefüllt ist und/oder an dem Quellraum eine Druckausgleichöffnung vorgesehen ist.
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Das erfindungsgemäße Förderaggregat umfasst beispielsweise ein mehrteiliges Gehäuse, wobei die Arbeitsmembran zwischen einem Gehäuseteil und einer Zwischenplatte im eingebauten Zustand aufgenommen ist. Eine Seite der Arbeitsmembran liegt an einer Auflagefläche des Gehäuseteils an, wobei die gegenüberliegende Seite der Arbeitsmembran der Zwischenplatte zugewandt ist und an einer an der Zwischenplatte ausgebildeten Trennrippe anliegt. So bilden sich beidseits der Trennrippe Räume, einerseits ein Pumpenraum auch als Element- bzw. Hubraum im Folgenden bezeichnet und andererseits der Quellraum.
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Die Arbeitsmembran weist einen verdickten Randbereich auf, welcher als Dichtwulst dient. Der Dichtwulst und die an der Zwischenplatte vorgesehene Trennrippe begrenzen den Quellraum. Mit einem derart gestalteten Quellraum kann im Falle eines Quellens des Elastomerwerkstoffes der Arbeitsmembran bei einem Temperaturanstieg und/oder durch Medienaufnahme vorteilhafterweise das zusätzliche Volumen aufgenommen werden, ohne dass sich eine Verformung auf die Fördermenge auswirkt. So bleiben die mit der Arbeitsmembran zu fördernden Fördervolumina gleich, unabhängig davon, ob eine Quellung des Membranmaterials durch die Umgebungsbedingungen eintritt.
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Die Arbeitsmembran eines Förderaggregats muss hinsichtlich ihrer Elastizität und ihrer Steifigkeit optimiert werden, wobei Alterungserscheinungen und wechselnde Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen sind. Während eine hohe Elastizität der Arbeitsmembran erforderlich ist, um die Membranspannung so niedrig wie möglich zu halten, ist demgegenüber eine hohe Steifigkeit anzustreben, damit Druckdifferenzen zwischen Membranbereichen nicht zu einem Bereichsweisen Ausbeulen und damit einer Beeinträchtigung des Fördervolumens führen. Erfindungsgemäß ist der Quellraum ausgebildet, um für die Arbeitsmembran im Bereich des Element- bzw. Hubraumes und im Bereich des Quellraumes gleichbleibende Bedingungen herbeizuführen, wobei insbesondere berücksichtigt wird, dass im Quellraum vor Inbetriebnahme des Förderaggregats andere Betriebsbedingungen herrschen als im Betrieb. Einer der Betriebsparameter ist der Druck, wobei erfindungsgemäß angestrebt wird, dass beiderseits der Trennrippe der gleiche Druck herrscht. Der dafür vorgesehene Druckausgleich zwischen dem Quellraum und dem Element- bzw. Hubraum wird erfindungsgemäß vorgesehen. Gleichbleibende Druckverhältnisse ermöglichen ein konstantes Förderverhalten, unabhängig davon, ob der Quellraum mit einem kompressiblen oder einem inkompressiblen Medium gefüllt ist.
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Bei Inbetriebnahme des Förderaggregats befindet sich im Quellraum im Allgemeinen ein kompressibles Medium, insbesondere Luft. In einer Ausführungsform ist der Quellraum erfindungsgemäß bei Inbetriebnahme des Förderaggregats mit einem inkompressiblen Medium gefüllt. Alternativ oder zusätzlich wird erfindungsgemäß am Quellraum eine Druckausgleichöffnung ausgebildet, welche eine Verbindung zur Saugseite des Förderaggregats darstellt. Anstelle eines inkompressiblen Mediums könnte auch ein kompressibles Medium vorgesehen sein, wobei in diesem Falle auch eine Druckausgleichsöffnung vorzusehen ist.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Förderaggregats ist der Quellraum bei Inbetriebnahme mit einem Medium gefüllt, insbesondere einem inkompressiblen Medium. Somit liegt an der Arbeitsmembran beiderseits der Trennrippe jeweils ein inkompressibles Medium an, so dass eine Vereinheitlichung der Bedingungen erreicht wird. Beispielsweise ist ein derartiges Medium ein in dem eingesetzten Fördermittel, beispielsweise dem Reduktionsmittel AdBlue®, gelöster Stoff. Ein derartiger Stoff ist beispielsweise auch Urea-Gel. Auch ein nicht kompressibler Stoff kann eingesetzt werden, der sich dadurch auszeichnet, dass er sowohl das gesamte Reduktionsmittelsystem als auch den Abgastrakt nicht beeinflusst und/oder schädigt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das in dem Quellraum vorhandene inkompressible Medium wärmebehandelt, so dass dieses auch über die Lebensdauer keine oder nur geringe volumetrischen Veränderungen unterworfen ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist an dem Quellraum eine Druckausgleichöffnung zur Saugseite des Förderaggregats ausgebildet. Im Falle, dass bei Inbetriebnahme des Förderaggregats der Quellraum mit Luft und damit mit einem kompressiblen Medium gefüllt ist, liegt an der Arbeitsmembran beiderseits der Trennrippe, d.h. im Bereich des Elementbzw. Hubraums und im Bereich des Quellraums zunächst ein kompressibles Medium an. Nach Inbetriebnahme beinhaltet der Element- bzw. Hubraum das Reduktionsmittel, welches über die Betriebsdauer aus dem Element- bzw. Hubraum über den nicht-dichtenden Bereich der Anbindung der Arbeitsmembran zu der Trennrippe in den Quellraum gelangt, so dass dort ein kompressibles Medium nach und nach durch ein inkompressibles Medium ersetzt wird. Somit ergeben sich während einer Übergangsphase für die Arbeitsmembran beiderseits der Trennrippe unterschiedliche Bedingungen, welche insbesondere die Steifigkeit der Arbeitsmembran beeinflussen. Über die erfindungsgemäß vorgesehene Druckausgleichöffnung im Quellraum, welche als Bohrung beispielsweise in der Zwischenplatte ausgebildet ist, besteht eine Verbindung zwischen der Saugseite des Förderaggregats, an der Atmosphärendruck anliegt, und dem Quellraum. Befindet sich Luft in dem Quellraum, wird diese im Falle einer Saugphase aus dem Quellraum evakuiert, so dass sich ein Druckausgleich zwischen dem Element- bzw. Hubraum und dem Quellraum einstellt.
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In einer alternativen Ausführungsform beinhaltet der Quellraum bei Inbetriebnahme ein inkompressibles Medium und umfasst eine Druckausgleichöffnung. So wird je nach Hubbewegung Reduktionsmittel abgesaugt, wobei wiederum ein Druckausgleich stattfindet. Ein einheitlicher Druck über weitgehend die gesamte Arbeitsmembran und unabhängig von dem Inhalt des Quellraumes ermöglicht ein nahezu konstantes Fördervolumen über die Lebensdauer der Arbeitsmembran.
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Die erfindungsgemäß vorgesehene Druckausgleichöffnung kann mechanisch in die Zwischenplatte eingearbeitet oder auch beim Fertigungsverfahren gefertigt werden, beispielsweise bei einem durch Spritztechnik gefertigten Bauteil.
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Der Durchmesser der Druckausgleichöffnung beeinflusst die Funktionsweise hinsichtlich des angestrebten Druckausgleichs. Im Falle eines in einem Abgasnachbehandlungssystem eingesetzten Förderaggregats zur volumetrischen Förderung eines Reduktionsmittels liegt der Durchmesser der Druckausgleichöffnung, ausgebildet als Durchgangsbohrung in der Zwischenplatte, in einem Bereich zwischen 0,08 mm und 1,2 mm. Bevorzugt wird ein Bohrungsdurchmesser im Bereich zwischen 0,2 mm und 0,7 mm gewählt. In dieser Größenordnung ergibt sich ein ideales Verhältnis zwischen konstanten Druckverhältnissen und konstanten Fördervolumen über die Lebensdauer gesehen, wobei eine wirtschaftliche Herstellbarkeit noch gegeben ist.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung stellt ein kostengünstiges Förderaggregat für ein Reduktionsmittel in einem Abgasnachbehandlungssystem bereit, wobei insbesondere AdBlue® und verwandte Reduktionsmittel zuverlässig gefördert werden. Die in dem erfindungsgemäßen Förderaggregat eingesetzte Arbeitsmembran ist insbesondere in einem Einsatzgebiet im Automobilbereich hohen Drücken und unterschiedlichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Ferner müssen derartige Arbeitsmembranen über die Lebensdauer sowohl eine ausreichende Dichtigkeit in einem Anschlussbereich zum Gehäuse als auch über eine konstante Fördercharakteristik verfügen. Ferner muss berücksichtigt werden, dass das Membranmaterial durch einen Temperaturanstieg und/oder Medienaufnahme quellen kann.
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Einer der Eigenschaften der Arbeitsmembran, die für die Funktionsweise bestimmend ist, ist die Steifigkeit der Arbeitsmembran. Die Steifigkeit der Arbeitsmembran ändert sich mit dem Druck, welcher wiederum unterschiedlich ist, je nachdem ob an der Arbeitsmembran, möglicherweise auch nur in Bereichen, ein kompressibles oder ein inkompressibles Medium anliegt.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung ist die Möglichkeit gegeben, die Steifigkeit der Arbeitsmembran weitgehend konstant über die Lebensdauer zu halten. Insbesondere wird auf einfache Weise ein Druckausgleich beiderseits der Trennrippe geschaffen, so dass zwischen Element- bzw. Hubraum und dem vorgesehenen Quellraum auf einfache Weise ein Druckausgleich herbeigeführt wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Detailansicht eines Förderaggregats mit einer Arbeitsmembran in einem eingebauten Zustand gemäß dem Stand der Technik;
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2 eine Detailansicht eines erfindungsgemäßen Förderaggregats mit einer Arbeitsmembran in einem eingebauten Zustand;
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3 eine Detailansicht einer Druckausgleichöffnung.
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Gemäß dem Stand der Technik geht aus der Darstellung 1 eine Detailansicht eines Förderaggregats 1 zur volumetrischen Förderung eines Reduktionsmittels hervor.
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1 zeigt unter anderem eine Arbeitsmembran 10, die durch einen Hinterschnitt 12 fest an einem Ankerkopf 14 eines Ankers 16 aufgenommen ist. Die Verbindung zwischen der Arbeitsmembran 10 und dem Ankerkopf 14 des Ankers 16 kann beispielsweise durch Vulkanisieren erfolgen. Der Anker 16 überträgt eine Hubbewegung an die Arbeitsmembran 10, durch die sich diese in elastischen Bereichen 18 verformt. Zur Stabilisierung der Arbeitsmembran 10 ist am Anker 16 eine Unterstützungsscheibe 20 aufgenommen. Dabei kann die Unterstützungsscheibe 20 an dem Anker 16 über eine Pressverbindung oder eine Schraubverbindung oder eine Schweißverbindung und/oder eine Klebeverbindung erfolgen.
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Ein Rand 22 der Arbeitsmembran 10 ist verdickt ausgeführt und umschließt eine Vertiefung 24. Aus 1 geht hervor, dass die Arbeitsmembran 10 im eingebauten Zustand zwischen einem Gehäuseteil 26 des Förderaggregats 1 und einer Zwischenplatte 28 aufgenommen ist. Der Anker 16 ist durch eine Öffnung 30 im Gehäuseteil 26 geführt.
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In 1 ist dargestellt, dass eine Oberseite 32 der Arbeitsmembran 10 auf einer Auflagefläche 34 des Gehäuseteils 26 aufliegt und eine gegenüberliegende Unterseite 36 der Arbeitsmembran 10 der Zwischenplatte 28 zugewandt ist. Der verdickte Rand 22 der Arbeitsmembran 10, der als Dichtwulst dient, begrenzt zusammen mit einer an der Zwischenplatte 28 ausgebildeten Trennrippe 38 und der Vertiefung 24 einen Quellraum 40. Sollte die Arbeitsmembran 10 aufgrund der Aufnahme eines geförderten Mediums aufquellen oder sich aufgrund einer Temperaturerhöhung ausdehnen, wird das zusätzliche Volumen von dem Quellraum 40 aufgenommen.
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Die Trennrippe 38, die Unterseite 36 der Arbeitsmembran 10 und die Zwischenplatte 28 bilden unterhalb der Arbeitsmembran 10 einen Element- bzw. Hubraum 42 aus, auch als Pumpraum bezeichnet. Die Größe des Element- bzw. Hubraums 42 ist an den benötigten Hub des Ankers 16 bzw. an das benötigte Fördervolumen angepasst. Dieses Fördervolumen bleibt auch bei Temperaturanstieg und/oder Druckänderungen nahezu konstant. Die Wärmeausdehnung der Arbeitsmembran 10 wird in dem Quellraum 40 aufgenommen und druckbedingte Verformungen werden gemäß dem in 1 dargestellten Stand der Technik durch die Stabilisierung der Unterstützungsscheibe 20 vermindert.
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Ausführungsvarianten
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In 2 ist eine Detailansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Förderaggregats 1 dargestellt.
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An dem Quellraum 40, welcher von der Vertiefung 24, der Zwischenplatte 28 und der an der Zwischenplatte 28 ausgebildeten Trennrippe 38 und dem verdickten Rand 22 der Arbeitsmembran 10 begrenzt wird, ist eine Druckausgleichöffnung 44 vorgesehen. Die Druckausgleichöffnung 44, ausgeführt als Bohrung 46 in der Zwischenplatte 28, stellt eine Verbindung zwischen einer Saugseite des Förderaggregats 1 und dem Element- bzw. Hubraum 42 her. Die Druckausgleichöffnung 44 sorgt für einen Druckausgleich zwischen einer Saugleitung (nicht dargestellt) und dem Element- bzw. Hubraum 42, so dass in dem Quellraum 40 auf die Arbeitsmembran 10 stets die gleichen Bedingungen herrschen, wie diejenigen in dem Element-bzw. Hubraum 42. Vor Inbetriebnahme des Förderaggregats 1 beinhaltet der Element- bzw. Hubraum 42 und der in 2 dargestellte Quellraum 40 ein kompressibles Medium, insbesondere Luft. Demnach liegen an der Arbeitsmembran 10 vor Inbetriebnahme im Bereich des Element- bzw. Hubraumes 42 und im Bereich des Quellraumes 40 und somit beiderseits der Trennrippe 38 gleicher Drucke an. Nach der Inbetriebnahme wird in den Element- bzw. Hubraum 42 zu förderndes Medium eingebracht, beispielsweise eine Harnstoff-Wasser-Lösung, welches auch über die nicht-dichtende Anbindung der Arbeitsmembran 10 im Bereich der Trennrippe 38 in den Quellraum 40 gelangt. Demnach wird während einer Übergangsphase das in dem Quellraum 40 beinhaltete kompressible Medium durch ein inkompressibles Medium ersetzt. Während der Übergangsphase liegen an der Arbeitsmembran 10 beiderseits der Trennrippe 38, bedingt durch die unterschiedlichen Medieneigenschaften, unterschiedliche Drücke an. Für die Arbeitsmembran 10 herrschen beiderseits der Trennrippe 38 unterschiedliche Bedingungen, welche die Steifigkeit der Arbeitsmembran 10 beeinflussen. Damit wird auch das Fördervolumen des Förderaggregats 1 beeinflusst.
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Mit der in 2 dargestellten Durchausgleichöffnung 44, welche als Bohrung 46 in der Zwischenplatte 28 ausgebildet ist, wird der Quellraum 40 pneumatisch und hydraulisch mit der Saugseite des Förderaggregats 1 verbunden, wobei ein Druckausgleich zwischen Element- bzw. Hubraum 42 und Quellraum 40 stattfindet.
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In 3 ist die Druckausgleichöffnung 44, ausgebildet am Quellraum 40, im Detail dargestellt. In der Zwischenplatte 28, im Bereich des Quellraums 40, angedeutet wird eine Begrenzung des Quellraums 40 im Form der Trennrippe 38, ist die Druckausgleichöffnung 44 vorgesehen. Die Druckausgleichöffnung 44 ist als Durchgangsbohrung 46 ausgebildet, insbesondere als gestufte Durchgangsbohrung 46 mit unterschiedlichen Durchmessern 48, 50. Die Druckausgleichöffnung 44 hat zum Quellraum 40 hin einen Durchmesser 48, welcher sich zu einem Durchmesser 50 entlang der Bohrung 46 erweitert. Durch eine gestuft ausgebildete Durchgangsbohrung lässt sich die Fertigung erheblich vereinfachen und dadurch die wirtschaftliche Herstellung positiv beeinflussen. Durch die gewählte Lösung lassen sich die Toleranzen der effektiven Bohrung hinsichtlich des effektiven Bohrungsdurchmessers deutlich eingrenzen sowie die Standzeiten der zur Fertigung dieser erforderlichen Werkzeuge nicht unerheblich verlängern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078499 A1 [0003]
